一种用于堤坝动态监测的电法观测系统及方法与流程

本发明涉及一种用于堤坝安全动态监测的电法观测系统及方法，通过长期定时动态监测堤坝等水工建筑物的电场变化情况，寻找其因内部结构变化而导致的安全隐患。

背景技术：

目前对于堤坝等水工建筑物的安全监测主要通过监测堤坝等水工建筑物的形变、渗流、压力、温度等的变化来实现。

采用以上方法对堤坝安全进行监测主要通过布设在堤坝周边或堤坝内部的传感器来获取堤坝的变化，从而实现堤坝的安全监测。若采用在堤坝周边布置测量堤坝变化的传感器，则需要当堤坝表面发生变化时，才能监测到堤坝的安全隐患，而一旦堤坝表面发生变化，堤坝内部可能已经发生非常明显的变化，堤坝的危险性已经很高，可能导致留给治理安全隐患的时间很短，因此该方法的预见性不强。若采用在堤坝建设时预埋测量堤坝变化的传感器，则由于传感器的加入，有可能改变堤坝的应力结构，且一旦传感器出现故障，则无法进行监测。如果对于已建设好的堤坝，要在堤坝内部安装传感器，则需要对堤坝进行钻孔等破坏性作业，造成堤坝的结构破坏。故目前常用的堤坝安全监测手段和方法均存在一些问题。

技术实现要素：

针对目前已有的堤坝安全监测手段和方法所存在的问题，本发明提出一种用于堤坝安全动态监测的电法观测系统及方法，实现无损的、长期的、动态的、可预见性强的、低成本的堤坝安全的三维电法监测。

本发明提出一种用于堤坝安全动态监测的电法观测系统包括远程数据管理平台、现场数据管理平台、电法监测数据采集器、电法供电电极和测量电极、电法信号传输导线。

电法供电电极、测量电极和电法信号传输导线按照一字形三维电法监测方法安装在堤坝上及周边；电法监测数据采集器长期按照一定时间间隔获取堤坝的电法监测数据；电法监测数据采集器通过局域网把所获取的电法监测数据上传到现场数据管理平台，现场数据平台连接有显示屏和报警装置；现场数据管理平台通过网络把所获取的所有电法监测数据上传远程数据管理平台。

一种用于堤坝安全动态监测的电法观测系统的方法，其特征在于包括以下过程：

1)电法供电电极、测量电极和电法信号传输导线按照一字形三维电法监测方法安装在堤坝上及周边；电法监测数据采集器长期按照一定时间间隔获取堤坝的电法监测数据，并上传到现场数据管理平台；

2)现场数据管理平台对比以前和当前的电法监测数据，实时监测堤坝的电场分布变化情况，通过监测数据对比，监测电场分布情况，并通过显示屏和警示灯给予警示；

3)现场数据管理平台通过网络把所获取的所有电法监测数据上传远程数据管理平台；

4)远程数据管理平台对所有的电法监测数据进行精细处理和解译后，对堤坝的安全状况进行精细判断。

电法监测数据采集器能实现电法供电、测量、数据存储和处理的功能；电法监测数据采集器通过安装在堤坝上的电法供电电极、测量电极和电法信号传输导线长期、定时、动态获取堤坝的电场监测数据。电法供电电极和测量电极、电法信号传输导线采用一字形三维电法监测方法的规则布置；电法供电电极和测量电极、电法信号传输导线具有防腐蚀功能，能长期稳定与堤坝良好接触。

一字形三维电法监测方法具体步骤如下：

a、平行于堤坝走向设定一字形三维电法监测的x方向，垂直于堤坝走向设定一字形三维电法监测的y方向，其中x方向与y方向相互垂直，且均为水平方向；

b、根据堤坝监测要求，确定堤坝的x方向与y方向的长度，并确定堤坝x方向测量点间距c和y方向测量点间距d的数值，从而确定堤坝网格参数a和b的数值；

c、基于堤坝特征、地形地貌起伏特征，采用一字形三维电法监测供电点网格坐标(x,y)和实际相对坐标(xc,yc)计算规则，确定一字形三维电法监测所有供电点网格坐标(x,y)和实际相对坐标(xc,yc)，并布置供电点；

d、基于堤坝的地形地貌起伏特征，整个堤坝内按照勘探要求及x方向测量点间距c、y方向测量点间距d、网格参数a和b的数值，确定一字形三维电法监测所有测量点网格坐标(xp,yp)和实际相对坐标(xp,yp)，布置完整的三维电法监测测量点；

e、采用电法监测数据采集器给上述选定的一字形三维电法监测的每个供电点分别供电，对整个堤坝内的一字形三维电法监测测量点进行电法监测数据采集，获取到每个供电点供电时堤坝所有测量点的一字形三维电法监测数据；

f、把所有电法监测数据整合为一字形三维电法监测数据，进行一字形三维电法监测数据处理，获取整个堤坝的一字形三维电法监测成果，从而实现整个堤坝的一字形三维电法监测。

一字形三维电法监测方法具体步骤(b)中堤坝网格参数a和b的数值的确定规则如下：

设堤坝x方向长l米，y方向宽m米，堤坝内x方向测量点间距为c米，y方向测量点间距为d米，以整个堤坝的中心点为原点，则整个堤坝x方向和y方向的网格参数a和b计算过程如下：设

一字形三维电法监测方法具体步骤(c)中的一字形电法勘探供电点网格坐标(x,y)和实际相对坐标(xc,yc)计算规则如下：

设该堤坝的网格左下角坐标为(-a,-b)，右上角坐标为(a,b)，则一字形三维电法监测供电点位置的网格坐标(xc,yc)设置为：

(xc,yc)＝(x,0)；|x|≤2a(2)

其中公式(2)中的x、a均为整数；

根据以上规则，得出以整个堤坝的中心点为原点，一字形三维电法监测供电点位置的实际相对坐标(xc,yc)公式如下：

(xc,yc)＝(x×c,y×d)＝(x×c,0)(3)

其中公式(3)中的x、y为公式(2)的计算结果。

一字形三维电法监测方法具体步骤(d)中的一字形三维电法监测所有测量点网格坐标(xp,yp)和实际相对坐标(xp,yp)确定规则如下：

设该堤坝的网格左下角坐标为(-a,-b)，右上角坐标为(a,b)，则一字形三维电法监测测量点位置的网格坐标(xp,yp)设置为：

(xp,yp)＝(x,y)；|x|≤a,|y|≤b(4)

其中公式(4)中的x、y、a、b均为整数；

根据以上规则，得出以整个堤坝的中心点为原点，一字形三维电法监测测量点位置的实际相对坐标(xp,yp)公式如下：

(xc,yc)＝(x×c,y×d)|x|≤a,|y|≤b(5)

其中公式(5)中的x、y为公式(4)的计算结果。

现场数据管理平台通过局域网获取电法监测数据采集器所获取的所有电法监测数据并对多次电法监测数据进行归一化的场值比对，现场识别堤坝的运行状况，一旦电法监测数据出现与安全有关的异常情况，则通过现场数据管理平台的显示屏和警示灯给予警示，并能把获取的所有电法监测数据通过网络上传到远程数据管理平台，以便进行远程数据管理平台的精细数据处理，提取出电法监测数据变化的异常分布特征，对堤坝运行状态进行精细判断。

远程数据管理平台通过网络获取现场数据管理平台的数据，并进行后期电法监测数据精细处理和解译，提取出数据变化的异常分布特征，给堤坝的运行状态进行安全评估。

本发明提出的一种用于堤坝安全动态监测的电法观测系统及方法，由于无需对堤坝进行钻孔等工程作业，从而可以实现对堤坝的无损检测；由于采用长期对堤坝的安全状态进行定时动态监测，从而实现堤坝安全监测的长期化和动态化，提高其监测效果和精度；由于本系统及方法能通过对堤坝长期的电法监测数据变化进行对比，获取堤坝内部结构的长期变化情况，从而实现可预见性监测；由于采用一字形三维电法监测方法，能实现对堤坝的内部结构变化的低成本三维电法监测。故本观测系统及方法能实现堤坝安全动态监测的无损的、长期的、动态的，且可预见性强，成本低。

附图说明

图1为一种用于堤坝安全动态监测的电法观测系统的方法流程图；

图2为一种用于堤坝安全动态监测的电法观测系统的数据流程图；

图3为堤坝安全监测的一字形三维电法监测方法布置示意图；

图4为一种用于堤坝安全动态监测的电法观测系统布置示意图。

具体实施方式

以下结合图1、图2、图3对本发明做进一步说明。

假设需要用本发明提出的电法观测系统和方法对某堤坝安全开展动态监测。

平行于该堤坝走向设定一字形三维电法监测的x方向，垂直于该堤坝走向设定一字形三维电法监测的y方向，其中x方向与y方向相互垂直，且均为水平方向。

设堤坝x方向长l＝200米，y方向宽m＝40米，堤坝x方向测量点间距为c＝20米，y方向测量点间距为d＝20米，以整个堤坝的中心点为原点，则整个堤坝x方向和y方向的网格参数a和b计算过程如下，根据公式(1)

可以得出a＝5，b＝1。

根据以上的计算结果，该堤坝的网格左下角坐标为(-5,-1)，右上角坐标为(5,1)，根据公式(2)

(xc,yc)＝(x,0)；|x|≤2a(2)

可以得出该堤坝的一字形三维电法监测供电点位置的网格坐标(xc,yc)为

(xc,yc)＝(x,0)；|x|≤10(6)

公式(6)中的x为整数。

根据公式(3)

(xc,yc)＝(x×c,y×d)＝(x×c,0)(3)

可以得出以该堤坝的中心点为原点，一字形三维电法监测供电点位置的实际相对坐标(xc,yc)为：

(xc,yc)＝(x×20,y×20)＝(x×20,0)(7)

其中公式(7)中的x、y为公式(6)的计算结果。

根据以上计算结果和公式(4)

(xp,yp)＝(x,y)；|x|≤a,|y|≤b(4)

可以得出该堤坝的一字形三维电法监测测量点位置的网格坐标(xp,yp)为：

(xp,yp)＝(x,y)；|x|≤5,|y|≤1(8)

其中公式(8)中的x、y、a、b为公式(6)和(7)的计算结果，且均为整数。

根据以上计算结果和公式(5)

(xc,yc)＝(x×c,y×d)|x|≤a,|y|≤b(5)

可以得出以该堤坝的中心点为原点，一字形三维电法监测测量点位置的实际相对坐标((xp,yp))为：

(xc,yc)＝(x×20,y×20)|x|≤5,|y|≤1(9)

其中公式(9)中的x、y为公式(8)的计算结果。

根据以上计算结果，按照电法监测要求，在堤坝上布置好电法供电电极、测量电极和电法信号传输导线，并采用电法监测数据采集器给上述选定的一字形三维电法监测供电线上的供电点(如图3中的a-10)供电，对整个堤坝内的一字形三维电法监测所有测量点进行电法监测数据采集，再改变供电点的位置(如图3中的a-9、a-8、a-7、……a8、a9、a10)，对整个堤坝的一字形三维电法监测所有测量点进行电法监测数据采集，直至完成所有供电点供电时的所有测量点的电法监测数据采集，从而获取到每个供电点供电时堤坝所有测量点的一字形三维电法监测数据；把所有电法监测数据进行一字形三维电法监测数据处理，获取整个堤坝的一字形三维电法监测成果，从而实现整个堤坝的一字形三维电法监测目的。

按照设定的监测时间间隔，假设定时监测时间为12小时，则每隔12小时对该堤坝进行一次上述的一字形三维电法监测，从而获取到该堤坝的每12小时的一字形三维电法监测数据。

该堤坝的一字形三维电法监测数据每次采集完毕后，电法监测数据采集器通过局域网把每次采集完毕的电法监测数据上传到现场数据管理平台；现场数据管理平台获取到该堤坝的每次电法监测数据后，对以前的电法监测数据和当前的电法监测数据进行归一化的场值比对，现场识别堤坝的运行状况，一旦电法监测数据出现与安全有关的异常情况，则通过现场数据管理平台的显示屏和警示灯给予警示，进行异常现场核实和排查，并把获取的所有电法监测数据通过网络上传到远程数据管理平台，进行远程数据管理平台的精细数据处理，提取出数据变化的异常分布特征，对堤坝运行状态进行精细判断，对堤坝安全状态进行评估。